Перспективные керамические материалы. Характерные свойства керамики и возможности ее использования, страница 4

шен задолго до того, как общая нагрузка на изделие достигнет порогового значения. Как только это произошло, на дефекте начинает развиваться трещина. Поскольку и сама образовавшаяся трещина является дефектом — концентратором напряжения, она быстро распространяется внутри керамического материала, что в конце концов приводит к хрупкому разрушению.

Сопротивление хрупкому разрушению (степень распространения трещины в материале под нагрузкой) измеряется количественно как вязкость разрушения. Для большинства металлов характерны значения этой величины выше 40 мегапаскалей (МПа) на корень квадратный из метра (м ^у2 ); сравнительно хрупкие металлы, такие, как литьевое железо, могут иметь низкую вязкость разрушения вплоть до 20 МПа/м ¹ /² . Для обычной керамики и стекла характерны значения этой величины около МПа/м ¹ / ²

ЯД других макроскопических свойств керамических материалов определяется особенностями расположения атомов в их кристаллической структуре. Например, в кристалле оксида кобальта СОО возбужденные электроны могут двигаться по кристаллической решетке так же, как в случае полупроводникового материала типа кремния. Диоксид ванадия V02 по той же причине при низких температурах тоже ведет себя как полупроводник. Однако в отличие от оксида кобальта кристаллическая структура диоксида ванадия при 330 К (60 ^о с) претерпевает небольшую перестройку, в результате которой электроны начинают вести себя, как в металлическом проводнике. В противоположность этим двум соединениям оксид рения Re03 обладает электропроводностью независимо от температуры .

Более яркий пример свойств, обусловленных атомной «архитектурой» материалов, дает так называемая сегнетоэлектрическая керамика. В этих материалах кристаллические зерна характеризуются неравномерным распределением заряда в элементарных ячейках, поэтому они оказываются поляризованными, т. е. одна сторона зерна заряжена положительно, а другая — отрицательно. В обычных условиях эта поляризация решетки не проявляется, поскольку из-за случайной ориентации поляризованных зерен заряды усредняются. Но если во время изготовления материала приложить внешнее электрическое поле, его кристаллические зерна могут переориентироваться так, что направление их поляризации совпадет, и в образовавшемся материале будет

неравномерное распределение заряда. Однако даже поляризованный таким образом материал остается непроводящим. Именно это свойство используется при изготовлении конденсаторов, накапливающих электрический заряд. (Фактически керамика основной материал для изготовления конденсаторов.)

Если в кристаллических зернах сегнетоэлектрической керамики заряды распределены несимметрично (относительно центра кристалла), то их деформация может привести к сдвигу поляризации. Это основное явление, использующееся в пьезоэлектрической керамике. Если такие материалы подвергнуть механической деформации, то в них создается значительный электрический заряд; и наоборот, под действием электрического поля они деформируются. Поскольку пьезоэлектрическая керамика способна преобразовывать механическую энергию в электрическую (и наоборот) почти без потерь, она может использоваться в датчиках, в системах, работающих на солнечной энергии, и медицинской ультразвуковой аппаратуре. Заряды, генерируемые в некоторых пьезоэлектрических керамических материалах при механической деформации, могут достигать нескольких десятков тысяч вольт. Искры, появляющиеся в результате возникновения в материалах напряжения, позволяют использовать их для зажигания в газовых нагревателях, кухонных плитах и зажигалках.